利用ro數(shù)據(jù)恢復(fù)剝蝕厚度的最高古地溫法

利用ro數(shù)據(jù)恢復(fù)剝蝕厚度的最高古地溫法

地層侵蝕是沉積盆地形成過程中常見的地質(zhì)現(xiàn)象。剝蝕厚度的大小可以對盆地內(nèi)的油氣運移、聚集和保存產(chǎn)生重要影響。例如,東海盆地西湖凹陷古近系至新近系,中央帶南部地層剝蝕厚度不大,適度的反轉(zhuǎn)剝蝕不僅形成了有利于油氣聚集的構(gòu)造圈閉,而且還有利于油氣的運移和聚集,目前已在這一帶發(fā)現(xiàn)了一系列含油氣圈閉;而北部地層剝蝕強烈,破壞了油氣的蓋、儲條件甚至烴源巖,造成大量的油氣泄漏和逸散,所以含油性相對不好(劉景彥等,1999)。剝蝕厚度的大小主要受控于地形高差、遭受剝蝕的地層巖性特征及氣候等因素。但當具體到某一特定地區(qū)特定層位時,剝蝕厚度的大小則可能主要受控于某一具體的地質(zhì)因素。例如,江漢盆地古近系和新近系之間的不整合面在形成過程中,盆地范圍內(nèi)各地區(qū)的氣候和遭受剝蝕的地層巖性特征差異并不大。因此,可以用該不整合面處地層剝蝕厚度的橫向變化來反映該盆地剝蝕前的地形特征。這為進一步開展古構(gòu)造重建和沉積發(fā)育史等研究提供了重要的前提(盧明國和童小蘭,2004;劉學(xué)鋒等,1999)。另外,在Vail一類沉積層序低位期廣泛曝露的陸架區(qū),較大剝蝕厚度的分布區(qū)可能與河流下切谷的位置相一致,這不僅對沉積發(fā)育史的研究有重要貢獻,而且還有重要的石油地質(zhì)意義。因為如果下切谷區(qū)充填物富砂,則是儲層發(fā)育區(qū);若富泥,則可能為局部構(gòu)造提供側(cè)向封堵條件。綜上,地層剝蝕厚度的恢復(fù)在多個地質(zhì)分支學(xué)科中都有著重要意義。結(jié)合前人對古地理學(xué)的定義(馮增昭,1999,2003),可以概括地說,地層剝蝕厚度的恢復(fù)是古地理學(xué)研究中的一項十分重要的工作。目前恢復(fù)地層剝蝕厚度的方法很多,較常用的方法有鏡質(zhì)體反射率(Ro)法、泥巖聲波時差測井法、地震剖面解釋法、趨勢面分析法、鄰層厚度比值法、沉積速率分析法、磷灰石裂變徑跡法、波動分析法等。其中利用鏡質(zhì)體反射率(Ro)數(shù)據(jù)來恢復(fù)剝蝕厚度是最常見的方法之一,但在利用Ro數(shù)據(jù)的具體方法或步驟上仍存在差異。利用Ro恢復(fù)剝蝕厚度的傳統(tǒng)方法主要有:①Ro差值法(Dow,1977);②最高古地溫法(胡圣標等,1999);③Ro-TTI法(陳增智等,1999)。其中方法①由Dow于1977年提出,是最早利用Ro數(shù)據(jù)恢復(fù)剝蝕厚度的方法。方法②和③由國內(nèi)學(xué)者提出,是在已經(jīng)注意到Dow方法的不合理性后所提出的改進方法。從目前國內(nèi)的應(yīng)用現(xiàn)狀來看,方法①和②有一定代表性,因為方法①在國內(nèi)至今仍在被廣泛地應(yīng)用(張一偉等,2000;李榮西等,2001;盧鴻等,2001),而方法②由于原理簡單合理、通俗易懂而易于被人接受。本文在前人傳統(tǒng)方法的基礎(chǔ)上,提出了一種利用Ro數(shù)據(jù)恢復(fù)剝蝕厚度的新方法,并通過一個應(yīng)用實例論證了新方法的可行性和簡易性。從多個方面討論了Dow(1977)傳統(tǒng)方法的不合理性,最后得出了重要結(jié)論。1與一地層深度ro的關(guān)系一般來講,對于一套連續(xù)沉積的地層,埋藏深度(H)的不斷增大會引起地層溫度逐漸升高進而導(dǎo)致地層中有機質(zhì)熱演化程度的不斷增加。而鏡質(zhì)體這種在沉積巖中最常見的固態(tài)有機質(zhì),其反射率(Ro)又隨有機質(zhì)的熱演化程度增加而增大,但不會因熱演化程度減弱而減小,即具有不可逆性。因此,Ro值能夠記載地層中有機質(zhì)演化過程中所達到的最高程度的信息,進而能夠用來反映地層最大埋深時的地溫信息(最高古地溫Tpeak)。眾所周知,物質(zhì)反應(yīng)速率與溫度成指數(shù)增加關(guān)系,而與時間成線性增加關(guān)系。那么,對沉積盆地一套連續(xù)沉積地層中的鏡質(zhì)體來說,其反射率(Ro)與地層溫度(T)應(yīng)成指數(shù)增加關(guān)系,而又由于埋藏深度(H)與地層溫度(T)之間通常存在正線性相關(guān)關(guān)系,所以鏡質(zhì)體反射率(Ro)與埋藏深度(H)之間也應(yīng)該存在指數(shù)增加關(guān)系。大量的事實也表明,這兩者之間一般確實存在指數(shù)回歸關(guān)系式:式中Ro為在深度H處的鏡質(zhì)體反射率,a、b為常數(shù)。將(1)式進行對數(shù)變換,可得到下式:再令a1=lna,b1=lnb,則有:式中a1和b1為常數(shù),(3)式表明鏡質(zhì)體反射率(Ro)的對數(shù)與埋藏深度(H)之間為一直線方程關(guān)系。20多年的實踐證明,用Ro值求取地層最高古地溫(地史上地層所經(jīng)歷的最大溫度Tpeak)確實是盆地?zé)嵫莼芯恐幸环N行之有效的手段。將Ro值換算為Tpeak的動力學(xué)模型或經(jīng)驗關(guān)系很多(如Hoodetal.,1975),但目前被國際上廣為接受的是BurhamandSweeney(1989)提出的平行化學(xué)反應(yīng)模型。如前所述,對沉積盆地一套連續(xù)沉積地層,埋藏深度(H)與地層溫度(T)之間通常存在正線性相關(guān)關(guān)系。隨后,假設(shè)地層整體抬升遭受剝蝕,由于埋藏深度變淺,地層溫度降低,致使兩者(H和T)以前的相關(guān)關(guān)系遭到破壞。但由于Ro值已記載下了剝蝕前該套地層所達到的最高溫度的信息,并且是不可逆的,所以用Ro值換算得到的Tpeak是該套地層剝蝕前的溫度狀況。由此可知,Tpeak與H之間仍應(yīng)存在正線性相關(guān)關(guān)系:式中a2和b2為常數(shù),其中b2(斜率)即為該構(gòu)造層的古地溫梯度。顯然,該公式的主要用途是用來確定某一構(gòu)造層的古地溫梯度。值得一提,即使由于地層抬升造成了與Tpeak值對應(yīng)的H值整體減小,但用兩者回歸出的線段Tpeak-H的斜率(b2)與剝蝕前的斜率應(yīng)該是一致的,即同樣反映了剝蝕前的地溫梯度(古地溫梯度)。引申一步,即使剝蝕后的地層(構(gòu)造層)重新埋藏又接受了超過剝蝕厚度的沉積,但該構(gòu)造層仍沒有達到剝蝕之前的溫度水平,這時依然可用Tpeak-H線段的斜率(b2)反映剝蝕前的地溫梯度,只是此時與Tpeak值對應(yīng)的H整體增大。這種情況發(fā)生在剝蝕前地層的地溫梯度大于剝蝕后重新沉積地層的地溫梯度時。同樣,這樣的整體升降也不會影響到式(3)中的斜率(b1)。簡言之,只要某一構(gòu)造層的Ro值沒有被后期沉積所補償,那么就能用其來恢復(fù)該構(gòu)造層剝蝕前的地溫情況(最高古地溫)和地溫梯度。(3)式和(4)式正是一些傳統(tǒng)的利用Ro值恢復(fù)地層剝蝕厚度的理論基礎(chǔ)。2用ro值恢復(fù)剝離厚度的傳統(tǒng)方法下面僅對Ro差值法和最高古地溫法這兩種有代表性的方法作一簡要介紹。2.1dow方法的原理如圖1所示,Dow首先將Ro值隨深度的“突變”(或“跳躍”)完全歸結(jié)為不整合面地層剝蝕的影響,然后利用上、下構(gòu)造層(以不整合分界)鏡質(zhì)體反射率(Ro)差值來估算不整合面處地層剝蝕厚度(Dow,1977)。前已述及,在一套連續(xù)沉積的地層內(nèi)部(即在一構(gòu)造層內(nèi)部),鏡質(zhì)體反射率(Ro)的對數(shù)與深度H之間為一直線方程關(guān)系,見式(3)。Dow正是利用這種關(guān)系,先在各個構(gòu)造層內(nèi)分別作線性回歸,然后將下伏構(gòu)造層(中生界)的Ro值與深度的線性回歸關(guān)系上延至與上覆構(gòu)造層(古近系)底界處的Ro值重合處,從而估算出文中實例鉆井剖面中位于3.6km深度處的不整合面的剝蝕厚度為500m。很顯然,Dow方法的原理應(yīng)該是這樣的,即假設(shè)下構(gòu)造層沒有被剝蝕,上下兩套地層是連續(xù)沉積時,這時Ro值應(yīng)該是連續(xù)的,是不應(yīng)該有“突變”的。將下構(gòu)造層的回歸線段上延到與上構(gòu)造層底界處的Ro值相等的地方,即上延到能夠彌補上、下構(gòu)造層Ro的差值處,這樣就能找到下構(gòu)造層未被剝蝕前的地表的位置(古地表),古地表與不整合面的距離即為剝蝕厚度。2.2ro與剝蝕厚度及地層埋深的關(guān)聯(lián)胡圣標等(1999)提出了一種利用Ro值恢復(fù)剝蝕厚度的新方法,因為該方法是利用由Ro數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化得到的地層在地史上所經(jīng)歷的最大溫度Tpeak來恢復(fù)地層剝蝕厚度的,所以這里暫且稱其為“最高古地溫法”。該方法認為,Ro本身與地層剝蝕厚度并無直接關(guān)聯(lián),控制Ro值大小的是地層中有機質(zhì)的埋藏溫度和時間以及有機質(zhì)的類型。由于溫度在其中起著決定性作用,所以Ro與剝蝕厚度或地層埋深的聯(lián)系是通過溫度來關(guān)聯(lián)的。當Ro數(shù)據(jù)隨深度的增加存在不連續(xù)的跳躍,而這種不連續(xù)(增加)確實由于不整合面地層剝蝕所引起時,這種不連續(xù)才意味著不整合面下伏構(gòu)造層較上覆構(gòu)造層經(jīng)歷了更高的古地溫(即下伏構(gòu)造層未被上覆構(gòu)造層補償而仍保留著古地溫的信息),這是利用Ro值恢復(fù)古地溫梯度和估算剝蝕厚度所必須滿足的條件。使用該方法時首先是利用平行化學(xué)反應(yīng)模型(BurhamandSweeney,1989),將Ro值轉(zhuǎn)換成最高古地溫值,然后以構(gòu)造層為單位線性回歸這些古地溫值與深度的關(guān)系,進而求得各個構(gòu)造層的古地溫梯度(回歸線段的斜率)(胡圣標等,1998)和相應(yīng)的古地表溫度,最后利用如下公式求得剝蝕厚度:式中He為剝蝕厚度,Tpeak為構(gòu)造層在不整合面處的最大古地溫,Ts為該構(gòu)造層的古地表溫度,(dT/dH)為古地溫梯度。該方法的優(yōu)點在于對某一尚未被上覆層溫度補償?shù)臉?gòu)造層作剝蝕厚度恢復(fù)時,只需使用本層的Ro數(shù)據(jù),而不再需要其上覆層的Ro數(shù)據(jù)。3用ro值恢復(fù)剝離厚度的新方法3.1溫度域的線性關(guān)系該方法是對最高古地溫法的改進,其不僅繼承了最高古地溫法的合理思想,而且簡化了具體操作過程。由(3)式和(4)式可以看出,鏡質(zhì)體反射率Ro的對數(shù)與深度H存在線性關(guān)系,而最高古地溫Tpeak與深度H也存在線性關(guān)系。聯(lián)立(3)式和(4)式,可知ln(Ro)與Tpeak之間也必然存在線性關(guān)系:式中a1、b1、a2和b2均為常數(shù),意義同(3)式和(4)式。(6)式不僅說明了溫度對Ro值的大小起著決定性作用,而且同時說明,對于一套時間跨度不是很長的地層來講,其ln(Ro)-Tpeak的線性關(guān)系是可以被確定的。實際上,只要知道了構(gòu)造層內(nèi)的ln(Ro)與Tpeak之間存在著某種線性關(guān)系就足夠了,而無須同時知道它們之間的確切表達式。因為從幾何意義上來講,無論該線性關(guān)系如何,在深度域上最終用最高古地溫Tpeak回歸的線段Tpeak-H總是應(yīng)該相當于直接用ln(Ro)回歸得到的線段ln(Ro)-H在平面內(nèi)作一旋轉(zhuǎn)和平移。所以本文提出,直接將ln(Ro)-H線段外推至ln(0.2)處即可得到古地表的位置(因為古地表邊界條件可近似地取定值Ro=0.2%),然后就可用古地表位置和剝蝕面位置的差值求得剝蝕厚度。該改進方法可免去將Ro轉(zhuǎn)化為Tpeak的繁瑣過程。但從本質(zhì)上講該改進方法卻同最高古地溫法具有相同的意義,只不過在邊界條件上近似地取了定值Ro等于0.2%,而最高古地溫法本質(zhì)上也是將Tpeak-H線段外推至其邊界條件(古地表溫度Ts)。兩種方法應(yīng)用的前提條件是相同的(如前所述)。3.2下構(gòu)造層的剝蝕厚度由前可看出,只需使用下構(gòu)造層的Ro數(shù)據(jù)即可恢復(fù)本層的剝蝕厚度,而無須同時知道上構(gòu)造層的數(shù)據(jù)并與之相關(guān)聯(lián)(如Dow的方法)。但上構(gòu)造層的Ro數(shù)據(jù)通常還是有用的,主要用來判斷下構(gòu)造層的Ro是否已經(jīng)被上覆地層所補償(即判斷下構(gòu)造層再沉降以后是否又達到或超過了剝蝕前的溫度)。現(xiàn)在假設(shè)要恢復(fù)下構(gòu)造層的剝蝕厚度,簡要歸納一下新方法的一般操作步驟。第一,同時作上、下構(gòu)造層的ln(Ro)和H的散點圖,觀察在深度剖面上ln(Ro)值是否存在“突變”(增加)。若不存在,可能說明地層沒有剝蝕或已經(jīng)被上覆層所補償,因而不能用Ro數(shù)據(jù)來恢復(fù)剝蝕厚度;若存在,則繼續(xù)第二步。第二,確認Ro值在深度剖面上的“突變”(增加)確實是由地層剝蝕所造成而不是由于其它原因(如正斷層斷缺等)所引起。第三,線性回歸下構(gòu)造層的ln(Ro)-H線段,將其外推至ln(0.2)處而得到該構(gòu)造層古地表的位置。第四,古地表的位置與不整合面位置的距離即為該構(gòu)造層的剝蝕厚度。以上歸納的只是兩個構(gòu)造層的簡單情況,單個和多個構(gòu)造層時原理相同,以此類推。4應(yīng)用剝蝕厚度計算的原則及結(jié)果該實例是對Dow(1977)實例數(shù)據(jù)的再計算,該數(shù)據(jù)來自于印度尼西亞的一口井,3.6km處為中生界和古近系之間的不整合面,Dow通過作圖法估算出該不整合面有500m的剝蝕厚度(圖1)。假設(shè)3.6km深度處Ro突變完全起因于地層剝蝕,同時很顯然下構(gòu)造層的Ro值還沒有被上構(gòu)造層所補償,滿足利用Ro值恢復(fù)古地溫梯度和估算剝蝕厚度所必須的條件。下面分別用最高古地溫法和新方法對Dow的數(shù)據(jù)作重新計算。表1列出了Dow(1977)的Ro數(shù)據(jù)及根據(jù)BurhamandSweeney(1989)的Ro動力學(xué)模型計算出的對應(yīng)于Ro值的最高古地溫值Tpeak(胡圣標等,1999)。將上、下兩個構(gòu)造層中的最高古地溫數(shù)據(jù)分別進行線性回歸,得到上部構(gòu)造層達到最高古地溫時的古地溫梯度為28.1℃/km(與現(xiàn)今溫度剖面重合,說明該層正處于最高古地溫時期),下部構(gòu)造層達到最高古地溫時的古地溫梯度為45.7℃/km(見圖2中兩線性回歸式的斜率)。以此為依據(jù)可進一步推知下構(gòu)造層在3.6km不整合面處的最高古地溫約為147℃,若假定古地表溫度為22℃,則根據(jù)公式(5)可得到下構(gòu)造層的剝蝕厚度為2735m。順便提及,古地表溫度(Ts)一般難以準確獲得(劉斌,2002)。因為地表溫度受控于氣候條件及太陽熱輻射的周期性變化,一年四季中地表溫度變化很大,所以常用年平均氣溫代表地表溫度(郭秋麟等,1998)。但古氣候研究證明,在地史時期中存在以下兩種氣候類型:一是正常的溫暖氣候,它在地史中占主導(dǎo)地位,這時的全球平均溫度約為22℃;另一種是短期的寒冷型氣候,又分為冰期和較暖的間冰期,前者年平均溫度為2℃,后者為7℃(KappelmeyerandHaenel,1974)。所以本文在前面將古地表溫度取為22℃。現(xiàn)再用簡化改進的新方法計算剝蝕厚度。如前所述,由于已知下構(gòu)造層沒有被補償,計算該構(gòu)造層剝蝕厚度時只需使用本層的Ro數(shù)據(jù)點即可,所以只回歸出下構(gòu)造層ln(Ro)與H的線性關(guān)系(圖3)。將該線段外推至ln(0.2)處,就得到了該構(gòu)造層沒有剝蝕前古地表應(yīng)該在的位置。將ln(0.2)代入圖3中的公式,得到古地表應(yīng)處在1063m的深度,再結(jié)合剝蝕面的位置(3.6km處)最后得到剝蝕厚度為2537m。綜上,通過對Dow(1977)原始數(shù)據(jù)的重新計算,兩種方法得到的結(jié)果分別為2735m和2537m,兩者計算結(jié)果相差不大。這說明本文簡化改進的新方法具有實際可行性,同時相比之下,操作起來比較簡便。但兩種方法得到的結(jié)果明顯大于Dow(1977)方法得出的500m剝蝕厚度,下面從幾個方面來討論Dow方法的不合理性以輔證以上兩種方法的正確性。5真柄欽次基于泥巖壓實情況的ro差值-深度相關(guān)性研究第一,實例井下伏構(gòu)造層的頂面在不整合面處的Ro值約為0.95%,最高古地溫約為147℃。盡管下伏構(gòu)造層達到最高古地溫時(未剝蝕之前)的古地溫梯度較大(45.7℃/km),但該層未剝蝕前500m埋深處所能達到的古地溫亦只不過是22℃+(45.7℃/km)×500m/1000m=44.85℃(假設(shè)古地表溫度為22℃),對應(yīng)的Ro值最高僅為0.3%左右,遠小于下伏構(gòu)造層不整合面處實際的Ro值(0.95%)和曾達到的最大溫度(147℃)。這說明了Dow的500m剝蝕厚度是不合理的。第二,由前可知上覆構(gòu)造層達到最高古地溫時的古地溫梯度為28.1℃/km,下伏構(gòu)造層達到最高古地溫時的古地溫梯度為45.7℃/km,后者雖大但仍不足前者的二倍。但據(jù)Dow(1977)的結(jié)果卻可以推導(dǎo)出這樣的結(jié)論,即古地溫梯度為45.7℃/km的地層被剝蝕了500m,而后其上雖然又沉積了3.6km厚(相當于剝蝕厚度七倍多)古地溫梯度為28.1℃/km的地層,卻仍未將下伏構(gòu)造層的Ro補償。這顯然是不合理的。第三,如前所述,Dow(1977)的方法首先因?qū)o值隨深度的“突變”完全歸因于不整合面地層剝蝕而暴露出了該方法的片面性。該方法還假設(shè)在無地層剝蝕的情況下,Ro值隨深度的變化是連續(xù)、漸變的,進而用將下伏構(gòu)造層中有機質(zhì)的成熟度與上覆構(gòu)造層中的成熟度相關(guān)聯(lián)的辦法來尋找古地表的位置。但就該實例的具體情況來講,下伏構(gòu)造層中Ro值的大小與上覆構(gòu)造層中的Ro值完全無關(guān)。毋庸置疑,Dow(1977)的這種假設(shè)是合理的,但將相互無關(guān)的上、下構(gòu)造層的Ro值相關(guān)聯(lián),求取未遭剝蝕的完整地層(即尋找古地表)的方法卻存在一定的不合理性。假設(shè)Dow(1977)的實例剖面繼續(xù)沉降接受沉積,在下伏構(gòu)造層被補償之前,上覆構(gòu)造層底面處的Ro會繼續(xù)增大,而整個下伏構(gòu)造層內(nèi)部的Ro都不會改變,所以下伏構(gòu)造層的ln(Ro)-H線段的斜率是不會改變的。那么就會發(fā)生這樣的情形,即隨著時間的推移,不整合面處上、下構(gòu)造層Ro的差值會越來越小,所以用Dow(1977)方法